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Un novedoso componente electrónico de la TU Wien en Vienna podría ser una clave importante para la era de la tecnología de la información cuántica: Mediante un proceso de fabricación especial, el germanio puro se une al aluminio de forma que se crean interfaces atómicamente nítidas. El resultado es la llamada heteroestructura monolítica metal-semiconductor-metal.
Esta estructura muestra efectos únicos que son particularmente evidentes a bajas temperaturas. El aluminio se convierte en superconductor, pero no solo eso, esta propiedad también se transfiere al semiconductor de germanio adyacente y puede controlarse específicamente con campos eléctricos.
Germanio: dificultad para formar contactos de alta calidad
"El germanio es un material que está reconocido por desempeñar un papel importante en la tecnología de semiconductores para el desarrollo de componentes más rápidos y energéticamente eficientes", afirma el Dr. Masiar Sistani, del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena.
"Sin embargo, si se pretende utilizarlo para producir componentes a escala nanométrica, se tropieza con un gran problema: es extremadamente difícil producir contactos eléctricos de alta calidad, porque incluso las más pequeñas impurezas en los puntos de contacto pueden tener un gran impacto en las propiedades eléctricas. Por eso nos hemos propuesto desarrollar un nuevo método de fabricación que permita obtener unas propiedades de contacto fiables y reproducibles."
Átomos viajeros
La clave está en la temperatura: cuando se ponen en contacto y se calientan el germanio y el aluminio de estructura nanométrica, los átomos de ambos materiales comienzan a difundirse en el material vecino, pero en grados muy diferentes: los átomos de germanio se mueven rápidamente hacia el aluminio, mientras que el aluminio apenas se difunde en el germanio. "Así, si se conectan dos contactos de aluminio a un fino nanocable de germanio y se eleva la temperatura a 350 grados Celsius, los átomos de germanio se difunden por el borde del nanocable. Esto crea espacios vacíos en los que el aluminio puede penetrar fácilmente", explica Masiar Sistani. "Al final, solo unos pocos nanómetros en el centro del nanohilo están formados por germanio, el resto ha sido rellenado por aluminio".
Prueba de viabilidad en Grenoble
Para comprobar las propiedades de esta heteroestructura monolítica metal-semiconductora de germanio y aluminio, Masiar Sistani colaboró con el grupo de ingeniería cuántica del profesor Olivier Buisson en la Universidad de Grenoble. Resultó que, efectivamente, la novedosa estructura tiene propiedades bastante notables: "No solo pudimos demostrar por primera vez la superconductividad en germanio puro y sin dopar, sino que también pudimos demostrar que esta estructura puede cambiar entre estados operativos muy diferentes utilizando campos eléctricos", informa el Dr. Masiar Sistani. "Un dispositivo de puntos cuánticos de germanio de este tipo no sólo puede ser superconductor, sino también completamente aislante, o puede comportarse como un transistor Josephson, un importante elemento básico de los circuitos electrónicos cuánticos".
Fuentes, créditos y referencias:
Jovian Delaforce et al, Al–Ge–Al Nanowire Heterostructure: From Single‐Hole Quantum Dot to Josephson Effect, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202101989
Imagen: Interfaz extremadamente precisa entre los dos materiales. Crédito: Universidad Tecnológica de Viena